1.4. Гидравлические электрические станции

Использование энергии текущей и падающей воды известно из­древле. Принцип преобразования этой энергии в электрическую до­статочно прост, если учесть, что прообраз гидротурбины,-"водяное колесо”,- давно используется людьми. Остается подключить синхронный генератор.

В настоящее время ГЭС представляют собой объекты комплекс­ного назначения, обеспечивающие нужды энергетики, водного транс­порта, сельского хозяйства, рыбоводства, коммунального хозяйства и других отраслей. Во многих случаях строительство мощных ГЭС связано с освоением новых районов, например, в Сибири, на Дальнем Востоке.

Понятие "гидравлические станции" включает в себя и морские приливные электростанции (ПЭС) и гидроаккумулирующие электро­станции (ГАЭС), которые рассматриваются ниже.

Сразу отметим ряд достоинств ГЭС, обеспечивающих высокую эффективность этого типа станций.

ГЭС работают на возобновляемом энергоресурсе, использование которого не истощает топливных запасов Земли.

Агрегаты ГЭС обладает очень высокой манёвренностью, способ­ны быстро изменять выдаваемую в энергосистему электрическую мощность. Таким образом, ГЭС способны эффективно работать в периоды кратковременных максимумов (пиков) нагрузки. В аварийных условиях дефицита электрической мощности в энергосистеме ГЭС обеспечивают быстрый ввод дополнительной мощности, что значительно повышает надёжность работы всей системы в целом и по­зволяет уменьшить резервные мощности на ТЭС.

ГЭС лучше других электростанций приспособлена к автомати­ческому управлению и требуют меньше эксплуатационного персо­нала, чем аналогичной мощности ТЭС (в четыре раза) и АЭС (в (шесть раз). Некоторые ГЭС сравнительно небольшой мощности ра­ботают вообще без постоянного обслуживающего персонала полнос­тью в автоматическом режиме.

Существенно и то, что на ГЭС отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, воду, почву.

Однако существует и ряд проблем при использовании ГЭС. Преж­де всего ограниченность гидроэнергетических ресурсов, неравно­мерность их распределения, в том числе наличие мощных источни­ков гидроэнергии в удалённых и труднодоступных местах. При со­оружении ГЭС приходится выполнять большие объемы строительных работ, возводить высокие плотины и т.д., что увеличивает сроки строительства да 10...15 лет. Оказывает гидроэнергетика и нега­тивное влияние на экологию, что подробнее рассмотрено ниже.

Таким образом, как и для других типов электростанций, технико-экономическое обоснование строительства ГЭС решается в ком­плексе задач развитии энергетики в целом.

Рассмотрим подробнее работу ГЭС.

Наиболее эффективное использование водотока возможно при концентрации перепадов уровней воды на относительно коротком участке. При наличии естественного водопада решение этой зада­чи упрощается, однако подобные условия встречаются крайне ред­ко. Для использования падения уровня рек, распределённого по значительной длине водотока, прибегают к искусственному сосре­доточению перепада, что может быть осуществлено различиями способами.

Приплотинная схема. На равнинных реках с большим расходом во­ды и малым уклоном сооружают плотины, что обеспечивает подпор уровня водотока (рис. 1.11). Образующееся при этом водохранилище может использоваться в качестве регулирующей ёмкости, позволя­ющей периодически накапливать запасы воды и более полно исполь­зовать энергию водотока. При этом различают две схемы расположе­ния здания ГЭС: русловая и собственно приплотинная.

Русловая ГЭС. Ее здание входит в состав водонапорных сооружений и воспринимает давление воды со стороны верхнего бьефа.

Конструкция здания в этом случае должна удовлетворять всем требованиям устойчивости и прочности, предъявляемым к плотинам. ГЭС с русловым зданием строятся при сравнительно небольших напорах - до 40м. Классическим примером такой станции является Волжская ГЭС.

Приплотинная ГЭС. Ее здание располагается за плотиной и не воспринимает давление воды. На крупных современных ГЭС такого типа напор доходит до 300 м. Например, на Саяно-Шушенской ГЭС -242 м.

Рис. 1.11. Компоновка ГЭС

ГВБ, ГНБ – горизонты верхнего и нижнего бьефа; 1 – решетка; 2 – затвор турбинного водовода; 3 – затвор водосброса; 4 – канал водосброса; 5 – гидротурбина; 6 – направляющий аппарат; 7 – аварийный затвор; 8 – генератор; 9 – кабель генераторного напряжения; 10 – трансформатор; 11 – ЛЭП; 12 – турбинный водовод; 13 – спиральная камера; 14 – отсасывающая труба; 15 – тело плотины; 16 – машинный зал.

Деривационная схема. Сосредоточенный перепад воды получается за счет отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода выше, чем в реке. Эта разность уровней и является напором ГЭС. Различают станции с безнапор­ной и напорной деривацией.

При безнапорной деривации отвод воды от реки осуществляет­ся по открытому каналу или по тоннелю. Для забора воды в дери­вационный канал в русле реки возводится невысокая плотина, со­здающая водохранилище. Вода в канал поступает без напора, а сам канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубам подаётся к турбинам. Отработавшая вода отводится обрат­но в русло реки.

При нагорной деривации используются напорные трубопроводы, куда вода подается насосами. Из трубопроводов вода поступает к турбинам, а затем возвращается в реку ниже по течению.

Сооружение деривационных ГЭС целесообразно в горных усло­виях при больших уклонах рек и относительно малых расходах во­ды. В этом случае можно получить напор до 1000 м и соответствен­но большую мощность.

Рассмотрим энергетическое оборудование ГЭС.

Гидротурбины. Для любого типа ГЭС вырабатываемая одной турбиной мощность

кВт, (1.15)

где Q - расход воды через турбину, м³/с; Н - напор, равный раз­ности отметок горизонтов верхнего и нижнего бьефа, м; η - КПД, зависящий от типа и режима работы турбины.

Пример расчета. Определить как изменится мощность пропеллерной турбины, работающей с N_т1=100%N_т, если при неизменном напоре расход воды уменьшается на 30%.

Решение. Изменение мощности, обусловленное уменьшением расхода воды, находится по (1.15)

Изменение кпд определяется по номограммам [6] и при N_т1 =100% N_т η₁=90%, а при N_т2 = 70% N_т η ₂=80%. Таким образом,

Здесь индекс 1 соответствует исходному, а индекс 2- новому режиму работы гидротурбины.

По конструкции различают два класса гидротурбин: активные и реактивные. В активной турбине используется динамическое давление воды. Потенциальная энергия гидростатического давле­ния в суживающейся насадке превращается в кинетическую энер­гию движения воды. Это, как правило, высоконапорные турбин. В реактивной турбине используется статическое давление воды при реактивном эффекте, что предпочтительней на равнинных реках с большим расходом воды и относительно малым напором.

Наиболее распространенные активные турбины - ковшевые. Ра­бочее колесо (рис.1.12) такой турбины выполняется в виде дис­ка 1, закреплённого на валу 2. Оно вращается в воздухе. По ок­ружности диска равномерно расположены ковшевые лопасти 3. Под­вод воды осуществляется посредством сопла 4, внутри которого расположена регулирующая игла 5. В сопле энергия воды обраща­ется в кинетическую и, создавая давление на лопатки, приводит во вращение рабочее колесо. Изменение положения иглы регулиру­ет подачу (расход) воды и мощность турбины. Конструкции ковше­вых турбин разнообразны и отличаются по расположению вала (го­ризонтальное и вертикальное) по числу сопл и рабочих колее на одном валу и т. д. эти турбины используются в диапазоне напора 300...1000 м, при диаметре рабочего колеса до 7,5 м и мощ­ности до 200 МВт.

Реактивные турбины по конструкции могут быть поворотно-лопастными (рис.1.12), радиалъно-осевыми, пропеллерными, двухперовыми, диагоналъными. Эти турбины работают полностью погружён­ными в воду. Энергия воды отдаётся всем лопастям 6 рабочего колеса одновременно. Лопасти крепятся на втулке 7 и могут по­ворачиваться вокруг своей оси, перпендикулярной оси вала 2. Во­да подаётся на лопатки из спиральной камеры 8 через направляющий аппарат 9. Спиральная камера обеспечивает равномерный под­вод воды ко всем лопаткам одновременно, а направляющий аппарат обеспечивает необходимые углы подачи воды. Двойное регулирование угла подачи вода (направляющим аппаратом и поворотом лопастей) обеспечивает автоматическое поддержание высокого кпд турбины в широком диапазоне изменения мощности. Поворотно-лопастные тур­бины используются в диапазоне напоров 3...75 м. Их мощность до­стигает 200 МВт.

Наибольшую мощность позволяют получить современные реактив­ные турбины радиально-осевого типа. Например, такие турбины на Саяно-Шушенекой ГЭС имеют мощность 640 МВт.

Рис.1.12. Конструкции гидротурбин:

а-активная (ковшевая); б-реактивная (поворотно-лопастная)

Для реактивных турбин особое значение имеет обеспечение бескавитационных условий работы. Кавитация представляет собой физическое явление, возникающее при быстром течении жидкости и попадании ее на препятствие - лопатки турбины. При этом в силу определенных процессов могут возникать гидравлические микроудары с давлением до нескольких сотен МПа, что способно разрушить ме­талл и бетон. Снижение кавитации достигается правильным выбором типа турбины в соответствии с напором, ее быстроходности, распо­ложением турбины относительно нижнего бьефа, а также применением особо стойких материалов (хромоникелевая сталь) и их тщательной обработкой. Подробнее см. [6].

Для наиболее полного преобразования энергии воды в механи­ческую энергию для всех типов турбин скорость движения лопаток выбирается такой, что на их выходе абсолютная скорость движения воды равна нулю. При этом частота вращения вала турбины

, 1/мин (1.16)

где n_s - коэффициент быстроходности турбины, численно равный частоте

вращения вала турбины данного типа при мощности и на­поре соответственно 0,736 кВт и 1 м.

Учитывая, что вал турбины связан с валом генератора, а часто­та переменного тока неизменна, частота вращения вала турбины зависит от параметров, входящих в выражение (1.1б), и числа пар полюсов генератора. Обычно при больших напорах используются турбины с малым значением коэффициента быстроходности и нао­борот. Реально частота вращения вала гидротурбин составляет от 16,66 до 1500 1/мин.

Пример расчета. Определить коэффициент быстроходности турбины при = 16 МВт, =82 м, =750 1/мин.

Решение. В соответствии с (1.16)

Контрольное задание. Определить коэффициент быстроходности гидротурбины при исходных данных, указанных в таблице.1.9. Номер варианта соответствует последней цифре номера зачетной книжки.

Таблица.1.9. Исходные данные для контрольного задания.

Параметр	Вариант
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
, м/с	60	66	56	48	52	64	36	42	40	64
, м	80	76	64	52	58	70	40	44	56	72
, %	93	93	96	89	90	94	92	90	88	95
, 1/мин	187,5	93,75	375	750	187,5	375	750	93,75	375	93,75

Синхронные генераторы ГЭС. Различия в принципе действия генераторов ГЭС и ТЭС нет. Конструктивные отличия гидрогенераторов в основном следующие: во-первых, вертикальное расположение вала, что обусловлено компановкой ГЭС, во-вторых, ротор гидрогенератора обычно выполняется явнополюсным. Это становится возможным из-за небольшой частоты вращения вала гидрогенератора и, следовательно, сравнительно небольших центробежных сил, действующих на ротор. Явнополюсная конструкция позволяет уменьшить расход металла и массу ротора.

Комплексное использование гидроресурсов. Гидроузел является сложным инженерно-хозяйственным объектом. Помимо собственно ГЭС и водохранилища в его состав входят системы безвозвратной подачи воды потребителям (промышленным, бытовым, сельскохозяйст­венным и другим объектам) и системы водопользователей, возвра­щающих воду или вообще не изымающих ее из оборота водотока (водный транспорт, рыбоводческие и рыболовные хозяйства и т.д.). Обычно в состав гидроузла входят шлюзовые системы прохода судов и системы проводки нерестовой рыбы. Весь этот комплекс предъявляет свои требования к объему и качеству потребляемой воды, к временному режиму водопотребления. При этом важнейшей задачей является регулирование речного стока водохранилищами ГЭС. Естественный сток рек очень неравномерен. Например, в половодье за 1…3 месяца проходит 60...70% годового стока. Интен­сивность стока изменяется также из года в год (дожди, засуха). На эти изменения накладывается неравномерная потребность в электрической энергии, а значит и в запасах воды. Потребление электроэнергии зависит от времени суток, дня недели, погодных условий, времени года и ещё целого ряда факторов, многие из ко­торых являются случайными. Всё это приводит к необходимости регулирования стока с помощью водохранилищ, где задерживается избыточный естественный приток, когда он превышает спрос потребителей и расходуется, когда этот спрос больше притока. Для учета изложенных факторов на практике применяют различные циклы регулирования: суточный, недельный, годичный, многолетний.

Разумное планирование всей системы гидроузла в целом, учёт каскадности гидросооружений (например, Волжский каскад ГЭС) и режима гидропотока способны обеспечить экономический, хозяйственный, социальный эффект значительно выше, чем собственно ГЭС.

Гидроаккумулирующие ГЭС. Принцип действия ГАЭС (рис.1.13) основан на использовании потенциальной энергии воды верхнего естественного или искусственного бассейна 1 в периоды, когда необходима выработка электроэнергии (обычно в часы утреннего и вечернего пика нагрузки). В это время вода по водоводу 2 поступает в здание ГАЭС 3 на гидротурбину и затем сбрасывается в нижний бассейн 4 также естественный или искусственный. В ночные часы, когда в энергосистеме имеется избыток мощности, вода из нижнего бассейна закачивается насосами в верхний бассейн. Запасается энергия для нового цикла работы.

Рис.1.13. Схемы ГАЭС:

а -принцип работы ГАЭС; б -компановка агрегатов станции четырехмашинная; в -компановка трехмашинная; г- компановка двухмашинная

Различают ГАЭС чистого аккумулирования и смешанного типа. У ГАЭС чистого или простого аккумулирования верхний бассейн не имеет притока воды. Работа происходит на одном и том же объеме воды, перекачиваемом из нижнего бассейна и срабатывае­мом в турбинном режиме из верхнего бассейна в нижний. Лишь небольшие потери воды происходят в результате испарения и инфильтрации. У ГАЭС смешанного типа в верхний бассейн имеется приток воды, и станция может работать в турбинном режиме не только за счёт насосной подачи, но и на естественном стоке.

По количеству машин различают четырех-, трех- и двухмашин­ные схемы агрегатов ГАЭС (рис.1.13.). В их состав входят тур­бина 5, генератор 6, насос 7, двигатель 8. Двухмашинную схему, при которой на ГАЭС устанавливаются агрегаты, способные выполнять функции, как турбины, так и насоса, и состоящие каждый из обра­тимой гидромашины и реверсивной электромашины, следует считать наиболее совершенной и экономичной. Преимущества этой системы: относительно малая металлоемкость, простота эксплуатации, малые габариты машинных залов.

ГАЭС выполняют в современных энергосистемах роль маневрен­ной мощности, мобильного резерва, способствуют повышению надёж­ности электроснабжения и экономии органического топлива. Они используются для покрытия пиковой части графиков электричес­кой нагрузки, для участия в регулировании частоты и мощности, для, улучшения режимов работы ТЭС и АЭС. В частности, ГАЭС очень хорошо сочетаются по режиму своей работы с ГРЭС и АЭС, которые неэкономично, технически невозможно и бессмысленно останавли­вать ночью в период значительного спада электрической нагруз­ки. Избыточная ночная мощность ГРЭС и АЭС как раз и может быть использована для закачивания воды в верхние бассейны ГАЭС.

В настоящее время построены и проектируется достаточно мощные ГАЭС: 2400 МВт в ФРГ, 2000 МВт в США, 1200 МВт в России (Загорская ГАЭС) и др.

Отметим работающие по этому же принципу гидроаккумулирующие электростанции. В них рабочим телом является инертный газ, закачиваемый (аккумулируемый) под большим давлением в емкость (обычно подземные естественные полости). Запасенный таким об­разом газ работает в газовых турбинах, обычно в часы пиковых нагрузок. Наиболее мощная электростанция такого типа работает в США-220 МВт.